Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe - | IDDRI

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Hydrogène pour la neutralité
           climat : conditions
           de déploiement en France
           et en Europe
           Ines Bouacida, Nicolas Berghmans (Iddri)

           En parallèle des plans de relance de 2020, la Commission européenne, la France, l’Allemagne et d’autres
           États membres de l’Union européenne ont simultanément annoncé des stratégies ambitieuses de
           développement de l’hydrogène, représentant plus de 50 milliards d’euros d’investissements à l’horizon
           2030. L’objectif étant, in fine, de contribuer à l’atteinte de la neutralité climat.
           Cette Étude vise à identifier les principaux enjeux du développement des technologies de l’hydrogène,
           pour que celui-ci contribue effectivement à atteindre un système neutre en émissions de façon durable.
           En raison de sa relative basse efficacité énergétique qui affecte sa performance technique et climatique
           par rapport à des alternatives, il faut cibler en priorité la consommation d’hydrogène vers l’industrie
           (chimie, raffinerie, acier) et certains segments du transport de longue distance (aviation, maritime). Et
           le déploiement de l’infrastructure doit être étroitement lié aux modes de production choisis, au rôle de
           l’hydrogène dans le transport de poids lourds et aux stratégies d’approvisionnement d’hydrogène entre
           fourniture domestique ou importations.

            MESSAGES CLÉS

           La relative faible efficacité énergétique de l’hy-     Dans un système neutre en émissions, l’hy-
           drogène par rapport à d’autres vecteurs énergé-        drogène doit être produit à partir d’électrolyse
           tiques indique qu’il n’a pas vocation à se subs-       renouvelable ou nucléaire, tandis que l’hydrogène
           tituer au méthane fossile (gaz naturel) dans le        à base de méthane fossile et de capture et stoc-
           système énergétique. Néanmoins, il est utile           kage de carbone (CCS) ne pourrait jouer un rôle
           pour la décarbonation de certains usages, en           dans une période de transition que s’il remplit des
           priorité dans l’industrie et le transport, et pourra   conditions climatiques et de viabilité économique
           jouer un rôle essentiel dans l’équilibrage et la       non atteintes aujourd’hui. Le coût de l’hydrogène
           sécurité du système électrique. Le développe-          par électrolyse varie selon les gisements d’électri-
           ment rapide de ces nouveaux marchés suppose            cité qu’il mobilise. Même compte tenu des progrès
           la diffusion de technologies, d’équipements et         technologiques attendus, il restera supérieur à
ÉTUDE

           de systèmes d’approvisionnement radicalement           long terme aux alternatives fossiles que l’hydro-
           nouveaux, dont le succès repose sur la mise en         gène doit remplacer, mais offrira une solution
           œuvre de politiques de soutien à la fois côté offre    économiquement viable dans les secteurs pour
           et demande.                                            lesquels il n’existe pas ou peu d’alternative..

           Les besoins en infrastructures d’hydrogène à long      Les échanges transfrontaliers d’hydrogène peuvent
           terme dépendent de choix stratégiques en termes        être intéressants sur le plan économique, mais
           d’offre et de demande, notamment du rôle de            posent des enjeux de géopolitique d’approvisionne-
           l’hydrogène à base de méthane fossile et CCS,          ment énergétique, de spécialisation industrielle et
           de l’utilisation de l’hydrogène pour la production     de mise en place de normes de durabilité.
           d’électricité et le transport de poids lourds et des
  N° 02
 Janvier   choix d’approvisionnement transfrontaliers en
  2022     hydrogène et carburants dérivés.
Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe

Hydrogène pour la neutralité climat : conditions
de déploiement en France et en Europe

Ines Bouacida, Nicolas Berghmans (Iddri)

1. INTRODUCTION                                        _____________________________________________________________________________________________                                                                           5

2. CONDITIONS DE DÉPLOIEMENT DE L’HYDROGÈNE
   PAR CATÉGORIE D’USAGE _____________________________________________________________________________ 7
    2.1. Des usages incontournables ...............................................................................................................................................................                           10
    2.2. Des usages avec des alternatives et pour lesquels le rôle de l’hydrogène est incertain ...............                                                                                                               10
    2.3. Des usages où il est peu probable que l’hydrogène joue un rôle significatif ........................................... 12

3. PRODUCTION D’HYDROGÈNE POUR LA NEUTRALITÉ CLIMAT :
   DE FORTES CONTRAINTES _________________________________________________________________________ 13
    3.1. Quelle offre d’hydrogène à faible empreinte de gaz à effet de serre ? .........................................................                                                                                      14
    3.2. L’hydrogène bleu : un enjeu de timing ...................................................................................................................................... 16
    3.3. Hydrogène par électrolyse : l’enjeu de l’accès à une électricité renouvelable ou nucléaire
         à faible coût ...................................................................................................................................................................................................... 16

4. FACTEURS STRUCTURANTS DE L’INFRASTRUCTURE
   HYDROGÈNE A MOYEN ET LONG TERME ET IMPLICATIONS
   POUR LES INFRASTRUCTURES ÉNERGÉTIQUES _________________________________________ 19
    4.1. Des infrastructures de CO2 ou d’hydrogène de longue distance nécessaires en cas
         de développement de l’hydrogène bleu ..................................................................................................................................                                              20
    4.2. L’évolution du mix électrique et les modes de production par électrolyse influeront sur les
         besoins en infrastructures de transport et de stockage d’hydrogène ........................................................ 20
    4.3. Le transport routier de longue distance, un besoin diffus qui peut faire basculer le
         développement de l’infrastructure hydrogène ................................................................................................................... 21
    4.4. Une contribution des importations à l’approvisionnement qui justifierait des connexions
         transfrontalières ............................................................................................................................................................................................ 22

5. L’IMPORTATION D’HYDROGÈNE : DES ENJEUX ÉCONOMIQUES,
   INDUSTRIELS ET DE DURABILITÉ ________________________________________________________________ 22
    5.1. Enjeux économiques des importations d’hydrogène et dérivés ........................................................................ 23
    5.2. Enjeux des chaînes de valeur industrielles et importations d’hydrogène ..............................................                                                                                                24
    5.3. Enjeux environnementaux pour les importations d’hydrogène ou de produits dérivés
         d’hydrogène ......................................................................................................................................................................................................   24

6. CONCLUSION                                   _______________________________________________________________________________________________                                                                               25

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES                                                                      ___________________________________________________________________                                                          27

                                                                                                                                                                                                                                   – 3 –
LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX
6    Figure 1. Carte des stratégies hydrogène nationales en Europe à               9    Tableau 1. Catégorisation des usages hydrogène pour la France
     date de décembre 2020.                                                             inspirée de (Energy Transitions Commission, 2021a) et estimations
     Source : Hydrogen Europe (2020)                                                    provisoires des volumes de demande selon (RTE, 2020a, 2021a).
7    Figure 2. Émissions de l'Union européenne par secteur dans un                 13   Tableau 2. Demande européenne d’hydrogène à l’horizon 2050
     scénario pour atteindre la neutralité climat en 2050. Source :                     dans différentes études prospectives.
     European Commission (2018a). Cette Figure ne tient pas compte
     du paquet Fit for 55 proposé en 2021.
9    Figure 3. Demande d'hydrogène hors secteur électrique en 2050
     selon deux trajectoires pour l'hydrogène par RTE : référence et hydrogène +
14   Figure 4. Émissions de GES du cycle de vie de l'hydrogène bleu pris
     en compte dans cette analyse. Source : inspiré de Gorski et al. (2021).
15   Figure 5.Émissions de GES au cours de la production d'hydrogène
     bleu par SMR ou ATR.
17   Figure 6. Évolution du coût des électrolyseurs d'ici à 2050 selon
     un scénario optimiste ou conservateur, selon BNEF (2020), IRENA
     (2020) et IEA (2021b).
18   Figure 7. Coût de l'hydrogène par électrolyse et bleu ainsi que
     d'alternatives fossiles (pétrole, gaz naturel, hydrogène à partir de
     gaz naturel et charbon).
19   Figure 8. Zones « sans regret » pour une infrastructure hydrogène
     qui approvisionne la demande industrielle non-énergétique
     en hydrogène à 2050. Source : Agora Energiewende & AFRY
     Management Consulting (2021).
21   Figure 9. Coût du transport de l'hydrogène selon le volume
     transporté, la distance de transport et le moyen de transport.
23 Figure 10. Importations d'énergie dans l'UE en 2015, 2030 et
   2050 selon différents scénarios. Adapté de European Commission (2018).
Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe

1. INTRODUCTION                                                                     Les stratégies hydrogène nationales diffèrent sur certains
                                                                               aspects, en particulier sur le type d’hydrogène soutenu – par
L’année 2020 a vu un intérêt inédit pour les technologies hydro-               électrolyse avec de l’électricité renouvelable ou nucléaire, ou
gène dans l’Union européenne (UE) et dans le monde, poussé                     uniquement renouvelable, éventuellement bleu –, l’inclusion
par la publication de plusieurs stratégies de déploiement de                   de projets d’importation d’hydrogène d’autres zones géogra-
l’hydrogène et de plans d’investissements pour les opération-                  phiques ou d’exportation vers d’autres pays européens et le
naliser. Ainsi, l’UE se fixe pour objectif de construire 40 GW                 développement d’une infrastructure de transport d’hydrogène.
d’électrolyseurs produisant 10 Mt d’hydrogène (333 TWh1)                       La capacité à rendre compatibles entre elles ces visions natio-
à 2030, tandis que la France vise 6,5 GW d’électrolyseurs                      nales émergentes, dans l’objectif de construire une filière hydro-
et 7,2 voire 9,1 milliards d’€ d’investissements publics d’ici à               gène compétitive et compatible avec la protection du climat,
cette date (Elysée, 2021 ; European Commission, 2020 ; MTE,                    sera un des défis clés des stratégies dans l’UE.
2020). Ces stratégies font suite à des initiatives nationales plus                  Ces plans d’investissements s’inscrivent dans le contexte des
modestes, comme le plan hydrogène lancé en 2018 en France,                     stratégies pour atteindre la neutralité climat dans l’UE à l’horizon
qui mobilisait 50 millions d’euros principalement pour soutenir                2050, qui parient sur l’hydrogène comme la meilleure option
des projets pilotes de production et d’utilisation d’hydrogène                 pour la décarbonation de certains secteurs clés. Pour l’UE, cela
(MTES, 2018).                                                                  s’ajoute à l’intérêt perçu que l’hydrogène pourrait contribuer à
    Dans l’UE, ces objectifs cumulés visent à installer plus de                diminuer la dépendance européenne aux importations d’énergie
27,8 GW d’électrolyseurs, soit 70 % de l’objectif européen pour                en remplaçant un certain nombre de vecteurs énergétiques
2030 tandis que six autres États membres préparent encore leurs                fossiles (méthane fossile, charbon et produits pétroliers) s’il est
propres stratégies (European Commission, 2020 ; Hydrogen                       produit domestiquement, mais aussi que le déploiement des
Europe, 2020). Ces initiatives démontrent l’intérêt partagé sur                technologies hydrogène ouvre l’opportunité aux acteurs euro-
le continent pour le développement d’une filière européenne                    péens de devenir des leaders industriels pour des technologies
de l’hydrogène (Figure 1). Plusieurs États membres européens                   qui seraient clés pour la réduction durable des émissions dans le
ont annoncé leur participation à un Projet important d’intérêt                 monde entier (IEA, 2021b).
européen commun (PIIEC) sur l’hydrogène pour en coordonner                          Le déploiement d’une nouvelle filière énergétique tout en
le développement technologique.                                                s’assurant qu’elle contribue bien à la décarbonation du système
    La concomitance avec la crise économique consécutive                       énergétique de façon soutenable constitue néanmoins un enjeu
à la pandémie de Covid-19 et la volonté politique d’investir                   industriel de taille. Côté demande, beaucoup d’usages visés par
pour relancer l’économie européenne, matérialisée par l’adop-                  les plans hydrogène (industrie et transport lourd) n’utilisent à
tion d’un plan de relance de l’Union européenne d’ampleur                      ce jour que très peu voire pas du tout d’hydrogène ni même de
inédite (European Commission, 2021d) a permis de dégager                       méthane fossile. Côté offre, la production actuelle d’hydrogène
des moyens financiers conséquents pour initier le développe-                   dans le monde (hors co-production) est très carbonée puisqu’es-
ment de la filière. De nombreux États membres ont ainsi choisi                 sentiellement issue de vaporeformage du méthane et de gazéi-
d’inclure l’hydrogène dans les priorités du plan de relance qu’ils             fication du charbon.
ont présentées à l’UE, contribuant ainsi à l’atteinte du critère de                 Pour définir une stratégie industrielle de développement
37 % des dépenses dédiés à l’action climatique.                                de l’hydrogène compatible avec la décarbonation du système
                                                                               énergétique, la question des usages dans lesquels déployer
                                                                               l’hydrogène est fondamentale. L’hydrogène comme vecteur
1   En comptant le contenu énergétique de l’hydrogène en pouvoir calorifique   énergétique est relativement peu efficace si l’on considère
    inférieur. Cette convention est gardée tout au long de l’étude.            toute sa chaîne de production et d’utilisation, et son potentiel

                                                                                                                                             – 5 –
FIGURE 1. Carte des stratégies hydrogène nationales en Europe à date de décembre 2020

X GW : Engagement en capacité d’électrolyse
X Md€ : Engagement en financements

    Stratégie hydrogène en développement                                             3.5 GW
                                                                                     (2)
    Stratégie hydrogène adoptée
                                                                                            5 GW
                                                                                            9 Md€

                                                                             6.5 GW
                                                                             7.2 Md€
                                                                                                          1.5 GW
                                                                                                          (4)

                                             2.3 GW            4 GW
                                             8 Md€             8.9 Md€
                                             (1)
                                                                                             5 GW
                                                                                             10 Md€
                                                                                             (3)

Les chiffres pour l’Espagne et l’Italie font référence aux investissements mobilisés alors que ceux pour la France font référence à des dépenses
de fonds publics.
1. La cible pour l’électrolyse est de 2-2,5 GW et l’investissement total mobilisé est de 7-9 milliards, y compris 1 milliard de fonds publics.
2. La cible d’électrolyse est de 3-4 GW.
3. Chiffres selon les Lignes Directrices provisoires de la Stratégie Nationale pour l’Hydrogène.
4. La version provisoire de la stratégie fait référence à une cible d’électrolyse de 1-2 GW.
Source : Hygrogen Europe (2020).

de production est limité par les ressources en électricité bas-             politique et législative encore en cours sur le renforcement de
carbone ou la disponibilité de stockage géologique de CO2, ce               l’objectif pour 2030 de réduction des émissions par rapport à
qui souligne l’importance de déployer l’hydrogène en priorité               1990 de 40 % à au moins 55 %, qui implique une diminution
dans les secteurs qui en ont le plus besoin pour diminuer leurs             accélérée des émissions (Figure 2). L’adoption en particulier
émissions. L’hydrogène pour ces usages doit en outre avoir une              d’objectifs de neutralité climatique a permis de mettre à l’agenda
faible empreinte carbone en cycle de vie, par électrolyse de                la question de la décarbonation de secteurs réputés difficiles à
l’eau ou via la combinaison de technologies de séquestration du             décarboner comme l’industrie lourde (Waisman et al., 2021).
carbone au reformage du méthane.                                                 C’est dans ce contexte que le développement d’une filière
    Cette étude vise à identifier les principales conditions de             hydrogène apparaît comme une solution. En tant que vecteur
développement d’une filière hydrogène en France et en Europe.               énergétique et réactif chimique, l’hydrogène présente plusieurs
Elle propose d’explorer les principaux enjeux de demande                    atouts pour le système énergétique, qui sont en réalité communs
d’hydrogène (Section 2), puis ceux côté offre (Section 3), les              à plusieurs molécules : la possibilité de le stocker sous forme
paramètres structurants des infrastructures de transport et de              gazeuse ou liquide et sa relative grande densité énergétique en
stockage de l’hydrogène (Section 4), et enfin les questions que             termes de masse, même si sa faible densité volumique et les forts
des importations d’hydrogène soulèveraient (Section 5), et s’at-            potentiels de fuite posent des défis (IEA, 2019b). Puisqu’il est
tache à mettre les objectifs de déploiement de l’hydrogène en               possible de le produire à l’aide de procédés potentiellement peu
perspective avec les autres transformations nécessaires pour la             émetteurs, par électrolyse ou à partir de méthane fossile couplé
transition énergétique.                                                     à du captage et stockage (CCS) du CO2, et qu’il n’émet pas de
    L’attrait récent pour l’hydrogène est à lier directement                CO2 lors de sa combustion, l’hydrogène présente une opportu-
au renforcement des objectifs climatiques en Europe et dans                 nité pour les applications énergétiques qui ne peuvent se passer
le monde. À la suite de l’adoption de l’Accord de Paris et son              de molécules et pour certaines réactions chimiques industrielles.
objectif de limitation du réchauffement climatique à moins de                    Développer la production d’un hydrogène à faible empreinte
2°C pour tendre vers 1.5°C, l’Union européenne a décidé de viser            carbone pourrait donc permettre de décarboner durablement
la neutralité climat d’ici 2050 (European Commission, 2018a).               les usages existants d’hydrogène (à base de carburants fossiles
Cet objectif implique une accélération rapide de la réduction de            sans CCS), dont la demande s’élève aujourd’hui à 340 TWh/
ses émissions de gaz à effet de serre et a lancé une discussion             an en Europe, soit 10 Mt (Agora Energiewende & Guidehouse,

– 6 –
Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe

FIGURE 2. Émissions de l'Union européenne par secteur dans un scénario pour atteindre la neutralité climat en 2050

5000                                                          Mt CO2eq                      Différents scénarios d’émissions zéro de GES
        z                                                                                   aboutissent à différents niveaux d’émissions résiduelles
             z                                                                              et d’absorption d’émissions de GES
4000                 z
                            z
                                   z
3000                                                                                                                  Emissions nettes
                                                                                            Mt CO2eq              z
                                          z
                                                                                                                      Autre – hors CO2
2000
                                                                                                                      Agriculture – hors CO2
                                                  z
                                                                                                                      Résidentiel
1000
                                                                                                                      Tertiaire
                                                         z
                                                                                                                      Transports
    0                                                           z
                                                                        z                                             Industrie
                                                                                                                      Electricité
     2005   2010   2015    2020   2025   2030   2035   2040    2045   2050
                                                                                                                      Utilisation des terres,
                                                                                                                      changement d’affectation
                                                                                                                      des terres et foresterie (UTCATF)
                                                                                                                      Technologies
                                                                                                                      d’élimination du carbone

Source : European Commission (2018a). Cette Figure ne tient pas compte du paquet Fit for 55 proposé en 2021.

2021). D’autre part, cet hydrogène pourrait servir à développer               l’énergie (AIE) indique que sans des mesures de maîtrise de la
de nouveaux procédés industriels moins intensifs en carbone,                  demande, dont une partie est réalisée en orientant la consom-
par exemple pour la fabrication d’acier (IEA, 2019b). Enfin, la               mation vers l’électricité, la demande en 2050 serait 90 % plus
possibilité de stocker l’hydrogène sous forme gazeuse ou liquide              élevée que dans le scénario net zéro (IEA, 2021b).
pourrait être mise à profit dans le transport de longue distance                   Pour atteindre ces objectifs, le rythme de mise en œuvre de
ou pour produire de l’électricité en complément des énergies                  ces mesures doit s’accélérer, par exemple via l’adoption de véhi-
renouvelables variables lors des périodes où la demande excè-                 cules électriques plutôt que thermiques et l’amélioration de la
derait l’offre. On envisage en particulier un rôle déterminant                récupération de chaleur dans l’industrie (IEA, 2021b). Au niveau
pour l’hydrogène comme moyen de stockage inter-saisonnier                     européen et en France, les progrès déjà réalisés sont également
à l’horizon post-2035 et de flexibilisation de la consommation                insuffisants et les efforts doivent s’intensifier pour atteindre la
pour équilibrer l’offre et la demande d’électricité tout au long de           neutralité climat (European Commission, 2018b ; MTES, 2019 ;
l’année, en particulier dans des systèmes à forte part d’énergie              Rosenow et al., 2017).
renouvelable variable (RTE, 2021a).                                                Si l’hydrogène est déployé dans de nouveaux usages sans des
                                                                              efforts d’efficacité énergétique, le risque est que les besoins en
                                                                              hydrogène soient plus conséquents que prévu et qu’ils appellent
2. CONDITIONS DE DÉPLOIEMENT                                                  à mobiliser des gisements plus chers même pour les usages
                                                                              « incontournables » pour la neutralité (voir Section 3.3). Cela
   DE L’HYDROGÈNE
                                                                              signifie qu’une demande énergétique très élevée pourrait donner
   PAR CATÉGORIE D’USAGE                                                      lieu à un rôle de l’hydrogène plus circonscrit.
                                                                                   Dans quelle mesure l’hydrogène est-il indispensable ?
Étant donné la faible efficacité de l’hydrogène lorsqu’on consi-              Pour de nombreux usages, l’hydrogène et d’autres molécules
dère sa chaîne énergétique et les transformations industrielles               sont substituables : l’hydrogène est une molécule dont le bilan
importantes souvent associées à son adoption dans les usages                  de gaz à effet de serre (GES) peut être bas (voir Section 3.1),
finaux, il convient d’identifier les degrés de priorité de ses utili-         mais il en existe d’autres : biogaz et biométhane, méthane de
sations possibles. L’hydrogène ne réduirait les émissions des                 synthèse, ammoniac, méthane fossile couplé à du CCS pour les
usages finaux qu’à condition que sa production soit soutenable                vecteurs gazeux, biocarburants et carburants synthétiques pour
climatiquement et si son offre est suffisante et économique-                  les vecteurs liquides utilisés dans les transports (voir Encadré).
ment abordable ; ces enjeux sont explicités en Section 3.                     Cette dynamique est visible dans les deux trajectoires hydro-
    La maîtrise de la demande est un pré-requis pour un déploie-              gène développées par RTE. Dans la trajectoire « hydrogène + »,
ment de l’hydrogène pour la décarbonation à moindre coût.                     l’augmentation de la consommation d’hydrogène par rapport à
Dans son rapport Net Zero by 2050, l’Agence internationale de                 la trajectoire de référence a lieu principalement aux dépens des

                                                                                                                                                – 7 –
vecteurs issus de la biomasse (biomasse solide, biocarburants
et biogaz) (RTE, 2020a). Dans son analyse des trajectoires de                 ENCADRÉ : DÉFINITIONS DES
consommation hydrogène en Allemagne à 2050, l’institut Fraun-                 MOLÉCULES À POTENTIEL FAIBLE
hofer IEE note également que le niveau de demande dépend de                   BILAN DE GES
la part de biomasse dans le mix (Gerhardt et al., 2020).                      Biogaz/biométhane. Le biogaz est un vecteur
    Cela signifie que le déploiement de l’hydrogène est inver-            gazeux, constitué principalement de méthane (CH4) et
sement dépendant de l’adoption d’autres molécules à faible                de dioxyde de carbone (CO2) issu de la dégradation de
bilan de GES, par exemple le biométhane en France. Or, comme              matière organique, qui peut être utilisé directement, par
pour l’hydrogène, le potentiel de ces dernières est limité par des        exemple pour la production d’électricité, mais qui est
contraintes biophysiques ou techno-économiques dont l’évo-                souvent purifié ; le CO2 est alors extrait du biogaz pour
lution est incertaine. Pour bien estimer le développement de              former du biométhane.
l’hydrogène, il est donc important de considérer aussi les enjeux             Méthane de synthèse. Ce type de méthane (CH4)
associés aux autres molécules.                                            est produit grâce au processus de méthanation à partir
— Le biométhane peut être moins coûteux que l’hydrogène                   d’hydrogène et de CO2 d’origine industrielle, de purifica-
    selon l’électricité utilisée (objectif de 60 €/MWh pour le            tion du biogaz ou directement capté dans l’air.
    biométhane injecté en France à l’horizon 2028), mais son                  Hydrogène. L’hydrogène (H2) est un gaz produit à
    potentiel est fortement limité par des contraintes biophy-            partir de carburants fossiles (notamment le méthane
    siques et la production de biomasse est en concurrence avec           fossile en Europe) ou d’électrolyse de l’eau. Il peut
    d’autres usages des terres (European Commission, 2018b).              souvent, mais pas systématiquement, être utilisé
    Ces facteurs limitent également le potentiel des biocarbu-            dans les mêmes procédés que le méthane sur le plan
    rants liquides.                                                       technique.
— L’utilisation du méthane de synthèse est contrainte par des                 Ammoniac. L’ammoniac (NH3), produit à partir
    conditions économiques : le processus de production via le            d’hydrogène et d’azote de l’air, sert dans l’industrie
    procédé power-to-hydrogen-to-methane est très peu effi-               chimique, notamment pour la fabrication de fertilisants.
    cace énergétiquement (Agora Verkehrswende et al., 2018),              Il peut également être utilisé comme vecteur énergé-
    ce qui suggère qu’il sera en forte compétition avec d’autres          tique, notamment comme carburant dans le secteur des
    vecteurs à faible bilan de GES sur la plupart des usages. Par         transports, ou comme combustible dans les centrales
    rapport à l’hydrogène, le méthane de synthèse a l’avan-               électriques et certains fours industriels. Il n’émet pas de
    tage de ne pas nécessiter d’adaptation des infrastructures            CO2 à la combustion.
    de transport et d’usage aval pour les usages existants du                 Biocarburants liquides. Ces carburants liquides à
    méthane fossile. Il pourrait en théorie être intéressant pour         base de matière organique sont aujourd’hui générale-
    les usages diffus pour lesquels une infrastructure de trans-          ment incorporés en minorité aux carburants fossiles
    port hydrogène ne serait pas économique (e.g. bâtiments).             (essence et gazole).
    Les carburants de synthèse subissent les mêmes contraintes,               Carburants liquides synthétiques. Produits à base
    et ne seraient une solution que sur certains segments du              d’hydrogène et de CO2 via le procédé Fischer-Tropsch
    transport qui n’ont pas d’alternatives suffisamment abon-             pour le gazole, l’essence et le kérosène synthétiques
    dantes (aviation et maritime notamment) (Ueckerdt et al.,             et par synthèse pour le méthanol. Ces carburants sont
    2021). En outre, pour diminuer les émissions, les vecteurs de         caractérisés par une efficacité énergétique très faible
    synthèse ne pourraient utiliser que du CO2 issu de captage            dans les moteurs de véhicules comparée aux batteries et
    direct dans l’air (DAC, en anglais) ou de biomasse produite           aux piles à combustible, ce qui suggère que leur utilisa-
    durablement, une technologie encore peu développée et                 tion sera limitée aux applications sans alternative (avia-
    dont les conditions économiques sont incertaines (Trans-              tion, transport maritime) (Agora Verkehrswende et al.,
    port & Environment & E4Tech, 2021).                                   2018 ; Ueckerdt et al., 2021).
— L’ammoniac est plus facile à stocker que l’hydrogène et peut
    s’appuyer sur l’infrastructure de transport et de stockage
    existante, notamment au niveau des ports. S’il a l’avantage
    par rapport aux autres molécules de ne pas être carboné, la        secteur du transport (voir Section 2.2).
    nécessité d’adapter les usages aval et le fait qu’il soit subor-       Des estimations plus certaines de demande en hydrogène
    donné aux ressources en hydrogène limite son utilisation           ne pourront être formulées tant que certaines des incertitudes
    (International Transport Forum - OECD, 2018). Il pourrait          entourant le déploiement des molécules à potentiellement
    notamment être utile dans le secteur maritime.                     faible bilan de GES, telles que le coût de la technologie DAC, ne
                                                                       sont pas levées. Cela souligne l’importance pour les estimations
    Outre les facteurs propres à un vecteur en particulier, le         d’évolution de la filière hydrogène de préciser les hypothèses
développement respectif des molécules à faible bilan de GES est        retenues pour les autres molécules, et vice versa.
soumis à des dynamiques de dépendance de sentier par secteur               Plusieurs études proposent des classifications des usages
et de construction de filière. C’est particulièrement le cas pour le   de l’hydrogène par niveau de priorité et selon leur opportunité

– 8 –
Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe

TABLEAU 1. Catégorisation des usages hydrogène pour la France inspirée de (Energy Transitions Commission, 2021a)
et estimations provisoires des volumes de demande selon (RTE, 2020a, 2021a).
   Type d’usage (ETC, 2021)                 Usage             Maturité (ETC,    Certitude                  Niveau de demande en France en 2050
                                                                 2021)         (ETC, 2021)    Selon trajectoire RTE « référence » (SNBC) et « hydrogène + »*
Usages existants et              Raffineries                 haute             haute         Raffinage : 3 TWh
compatibles avec la neutralité   Ammoniac                                                    Ammoniac et engrais : 8 TWh
climat
                                 Méthanol                                                    Chimie : 2 TWh
Usages potentiellement de        Acier                       basse             haute         Acier : 5-10 TWh
grande échelle à long terme,     Aviation                                                    Aviation : 1-35 TWh
mais avec des délais de
déploiement significatifs        Maritime                                                    Maritime : 0-4 TWh
                                 Stockage d’électricité                                      Production élec. : entre 0 et 15 TWh selon le mix électrique
Usages techniquement             Poids lourds (PL)           basse             moyenne-      PL : 7-30 TWh
possibles, mais pour lesquels    Chaleur HT                                    basse         Chaleur HT : 4-22 TWh
l’avantage comparatif de
l’hydrogène est incertain        Chauffage bâtiments                                         Chauffage : 0 TWh
                                 Plastiques                                                  Plastiques : ?
                                 Rail                                                        Rail : 1 TWh
Usages potentiels à court terme Injection en mélange         moyenne           basse         Injection : 1 TWh
et de manière transitionnelle   Production élec. en                                          Méthanation : 2 TWh
                                cogénération avec du
                                méthane fossile
                                                                                             Total : 34-143 TWh

* Quand une seule valeur est donnée pour un usage, elle est identique dans les deux trajectoires. Ces valeurs de consommation n’incluent pas la coproduction
d’hydrogène.

FIGURE 3. Demande d'hydrogène hors secteur électrique                             techno-économique (Agora Energiewende & Guidehouse,
en 2050 selon deux trajectoires pour l'hydrogène par RTE :                        2021 ; Energy Transitions Commission, 2021a ; Mcwilliams &
référence et hydrogène +                                                          Zachmann, 2021 ; Ueckerdt et al., 2021)2.
                                                                                       Cette étude propose une catégorisation des usages adaptée
                                                                                  au cas français qui s’inspire de celle proposée par la coalition d’ac-
160 Demande en hydrogène [TWh]
                                                                                  teurs de la transition énergétique Energy Transitions Commission
                                                                                  (Energy Transitions Commission, 2021a). Ces derniers proposent
140                                                                               une classification des usages hydrogène selon deux paramètres :
                                                                                  la maturité (paramètre combinant maturité technologique,
120                                                                               compétitivité économique et facilité d’un secteur à utiliser de
                                               Méthanation                        l’hydrogène par électrolyse ou bleu), et le niveau de confiance
                                               Injection                          dans le rôle que l’hydrogène peut jouer (niveau de certitude).
100                                                                               Elle aboutit à quatre catégories représentées dans le Tableau 1,
                                               Chauffage
                                                                                  illustrées par deux trajectoires hydrogène développées par RTE
                                               Chaleur haute-température          à 2050 (Figure 3).
 80
                                               Rail                                    Il paraît évident que malgré son rôle clé pour la décarbona-
                                               Poids lourds                       tion de certains usages, l’hydrogène n’est pas amené à remplacer
 60                                                                               le méthane fossile dans le système énergétique, ce qui conforte
                                               Maritime
                                                                                  les conclusions d’une précédente étude Iddri (Bouacida & Bergh-
                                               Aviation                           mans, 2021). Nombre d’usages envisagés pour l’hydrogène ne
 40
                                               Production élec                    sont pas aujourd’hui consommateurs de méthane et les volumes
                                               Acier                              considérés pour l’hydrogène à long terme sont bien inférieurs
 20                                                                               à la demande actuelle de méthane. Au niveau européen, les
                                               Chimie
                                                                                  études existantes situent la demande d’hydrogène en 2050
                                               Ammoniac et engrais                entre environ 300 et 3 000 TWh de demande (Tableau 2) ; alors
   0
                                               Raffineries                        que la demande en méthane fossile est d’environ 3 000 TWh
       Référence        Hydrogène +                                               aujourd’hui (IEA, 2019a).
                                                                                       L’objectif de cette section est de discuter des conditions tech-
Source : RTE (2020b, 2021a).                                                      nico-économiques – outre la baisse des coûts de production –,

                                                                                  2    Voir aussi l’échelle de l’hydrogène propre de Liebreich Associates (Editors of
                                                                                       The Economist’s, 2021).

                                                                                                                                                              – 9 –
industrielles et sociétales pour le développement des usages                Une étude du CISL et d’Agora Energiewende suggère que
hydrogène selon leur degré de priorité, sur la base de la catégo-      la « prime verte » payée par les consommateurs au niveau
risation des usages proposée dans le Tableau 1, et de fournir des      des produits finaux décarbonés serait assez modeste pour de
éléments de contexte du déploiement des technologies hydro-            nombreux produits, par exemple +1 % pour une voiture fabri-
gène entamé en France et dans l’UE. Nous distinguons trois types       quée avec de l’acier « vert », soit avec de l’hydrogène pur pour
d’usage.                                                               la réduction directe du minerai de fer, ce qui suggère que le coût
                                                                       additionnel est supportable pour les consommateurs (CISL &
2.1. Des usages incontournables                                        Agora Energiewende, 2021). Néanmoins, l’utilisation de l’hydro-
                                                                       gène bleu ou par électrolyse soulève la question de la compé-
Les usages incontournables de l’hydrogène se définissent par           titivité à l’échelle internationale des produits finaux (y compris
l’absence d’alternatives suffisamment basses en émissions pour         des carburants de synthèse), qui est discutée plus en détail dans
être compatibles avec la neutralité et qui peuvent couvrir tous        la Section 5.
les besoins, ce qui suggère que, sur ces segments, l’hydrogène              Il est important pour les politiques publiques de soutenir le
bleu ou par électrolyse pourrait avoir une bonne compétitivité         développement des usages incontournables pour atteindre la
économique par rapport à d’autres vecteurs, malgré un coût de          neutralité climat. Pour certains d’entre eux, des efforts supplé-
l’hydrogène plus élevé que ses alternatives fossiles.                  mentaires de recherche et développement sont nécessaires,
    Ces usages se trouvent dans l’industrie et dans le transport       notamment pour l’acier et le transport aérien et maritime.
de longue distance :                                                        Les usages matériau de l’hydrogène dans l’industrie sont un
— Usages existants (industriels) et pour lesquels la                   axe central des stratégies hydrogène européennes. Côté français,
    demande subsistera dans un système neutre en émissions :           l’accent est mis sur les usages existants de l’hydrogène, avec
    fabrication d’ammoniac, raffineries, méthanol. Le volume           d’autre part des financements de recherche et développement
    de demande pour les raffineries et l’ammoniac dépend               pour les usages dans l’industrie de l’acier et pour la fabrication
    d’autres orientations stratégiques dans la transition vers un      de carburants liquides. Au niveau européen, des projets pilote
    système qui respecte les limites planétaires. L’ammoniac           utilisant de l’hydrogène pour la fabrication d’acier sont en cours,
    est utilisée à 90 % pour la fabrication de fertilisants azotés     comme celui d’Arcelor Mittal en Allemagne ou l’initiative HYBRIT
    synthétiques (Material Economics, 2019), dont l’usage              en Suède ; le projet H2 Green Steel en Suède projette l’ouverture
    doit être limité pour préserver le cycle de l’azote (Poux &        d’une usine d’acier à l’échelle commerciale à horizon 2024.
    Aubert, 2018) ; tandis que les raffineries seraient main-
    tenues pour la transformation des biocarburants, dont le           2.2. Des usages avec des alternatives et
    déploiement dépend de choix d’utilisation des ressources           pour lesquels le rôle de l’hydrogène est
    en biomasse.                                                       incertain
— Autres usages pour lesquels les technologies ne sont pas
    encore commercialisables, mais qui pourraient consommer            Il existe plusieurs usages énergétiques pour lesquels le rôle de
    de grands volumes dans un système neutre en émissions :            l’hydrogène est très incertain sur les plans techno-économique,
    l’acier, le transport aérien et maritime. Pour le transport        politique et industriel : des alternatives existent, mais l’hydro-
    aérien et maritime, la biomasse est une alternative poten-         gène serait nécessaire pour couvrir une partie de la demande.
    tiellement compatible avec la neutralité climat sous forme
    de biocarburant. Néanmoins, le potentiel de biomasse                    Transport lourd de route (poids lourds et bus). Sur ce
    durable est limité par des facteurs biophysiques et des            segment, les véhicules électriques à batterie et à pile à combus-
    conflits d’usage (voir supra). Plusieurs études soulignent ainsi   tible sont en concurrence forte au niveau technico-économique.
    que les carburants dérivés de l’hydrogène représentent une         Comme pour le transport aérien et maritime, le biométhane
    option plus efficace en termes d’occupation des sols pour le       pourrait jouer un rôle à condition que la biomasse soit sourcée
    transport maritime et l’aviation à long terme, même si les         de manière durable, mais cette option est limitée en volume
    biocarburants peuvent participer à la décarbonation de ces         compte tenu des contraintes sur la biomasse (voir supra). Les
    secteurs, en particulier dans une période transitoire (Gray et     autoroutes à caténaire pourraient aussi être une option en
    al., 2021 ; Transport & Environment, 2018b). Ces considéra-        complément d’autres solutions pour les trajets hors autoroutes
    tions motivent l’inclusion du transport maritime et aérien         équipées (Jöhrens et al., 2020 ; Wietschel et al., 2019). Les poids
    dans la catégorie « usages incontournables ». Le rôle de l’hy-     lourds à batterie sont significativement plus efficaces énergéti-
    drogène pur serait probablement limité compte tenu de sa           quement et moins chers à l’achat et à l’entretien (Transport &
    faible densité volumique, mais ses dérivés (notamment kéro-        Environment, 2018a). Néanmoins, la plus longue autonomie,
    sène synthétique et ammoniac) pourraient être consommés            un bilan matériau éventuellement moins lourd et le temps de
    (Clean Sky & FCH, 2020 ; Dincer & Acar, 2016 ; Gray et al.,        recharge plus court des véhicules utilisant une pile à combustible
    2021 ; Hansson et al., 2020). Il est également important de        pourraient leur donner un avantage (Correa et al., 2017 ; Euro-
    souligner que pour ces deux secteurs, le levier principal de       pean Hydrogen Backbone, 2021). Ainsi, dans son scénario Net
    réduction des émissions est la diminution du trafic (Shar-         Zero 2050, l’AIE indique que le paramètre définissant le choix de
    mina et al., 2021 ; Transport & Environment, 2018b).               technologie de propulsion pour les poids lourds en 2050 est la

– 10 –
Hydrogène pour la neutralité climat : conditions de déploiement en France et en Europe

distance quotidienne parcourue, et voit une plus grande péné-           à batterie. En incluant les poids lourds effectuant des trajets
tration des véhicules à piles à combustible à partir de 400 km/         jusqu’à 800 km/jour, qui représentent près de 80 % de l’activité
jour et la chute de la pénétration des véhicules à batterie au-delà     dans l’UE, ce segment augmente encore (Transport & Environ-
de 500 km/jour (IEA, 2021b). Plusieurs constructeurs automo-            ment, 2020).
biles, tels que Mercedes et Renault, ont annoncé débuter leur                Pour les poids lourds ayant besoin de plus longues autono-
production en série de poids lourds à batterie à autonomie              mies (>400 km), la période jusqu’à la prochaine Programmation
de 300 à 400 km (Transport & Environment, 2021) ; certains              pluriannuelle de l’énergie (PPE) est encore une phase d’expéri-
constructeurs développent également des modèles de camions              mentation durant laquelle il convient d’étudier les conditions
à pile à combustible (Hyundai).                                         de déploiement, l’acceptabilité, le financement de l’une et
     Il est possible d’identifier plusieurs facteurs clés déterminant   l’autre technologie et d’évaluer la progression des filières. À cet
les parts de marché de l’une et l’autre solutions :                     égard, des leçons pourront être tirées de l’expérience des projets
— Coût du carburant. La baisse du coût total de possession              financés par l’appel à projets « écosystèmes territoriaux hydro-
     des véhicules à hydrogène est en partie conditionnée par           gène » de l’Ademe (Ademe, 2021). Dans cette phase, il convient
     les baisses de coût de l’hydrogène fabriqué par électrolyse        de ne pas lancer le financement d’infrastructures d’hydrogène à
     (Moultak et al., 2017), qui représentent un enjeu industriel       grande échelle pour éviter les coûts échoués si les poids lourds
     important (voir Section 3.3). En outre, le coût des stations       venaient à utiliser principalement de l’électricité, éventuelle-
     peut représenter la moitié du coût de l’hydrogène à la             ment en privilégiant les projets de poids lourds situés à proxi-
     pompe (Cihlar et al., 2020) ; cette proportion est fortement       mité de clusters de demande industrielle (voir Section 4).
     dépendante du débit des stations et donc du dimensionne-                Les projets pilote lancés en France dans le secteur de la mobi-
     ment de parc de véhicules à hydrogène (Reddi et al., 2017).        lité se sont concentrés sur les bus plutôt que sur les camions
— Dépendance de sentier. Dans le secteur des transports,                lors des premiers appels à projets en 2018, mais le financement
     les dépendances de sentier sont particulièrement fortes,           de poids lourds de marchandises est prévu pour les prochaines
     notamment parce que les flottes nécessitent des investis-          années, tandis que l’offre de véhicules à l’échelle commerciale se
     sements importants dans des infrastructures de recharge            développe (Ademe, 2021 ; Ademe & MTES, 2019 ; Afhypac, 2021).
     (éventuellement rapide pour les véhicules à batterie) et                Les estimations de demande en hydrogène dans le trans-
     d’avitaillement.                                                   port lourd de route varient largement entre études. Dans ses
— Construction de filière industrielle. La formation de capacités       deux trajectoires hydrogène, RTE estime la demande des poids
     de production de véhicules à batterie ou à pile à combus-          lourds en 2050 à respectivement 8 TWh dans la trajectoire de
     tible est un pré-requis au déploiement des technologies.           référence, soit 7 % du parc des poids lourds, et 30 TWh dans le
     Aujourd’hui, il n’existe pas de production à grande échelle de     scénario « hydrogène + », soit la moitié du parc des camions et
     poids lourds à hydrogène ou à batterie ; néanmoins, la filière     20 % des transports régionaux et urbains (RTE, 2020a).
     batterie pour poids lourds peut bénéficier de synergies avec
     son homologue pour les véhicules légers. Les dynamiques                 Chaleur haute température dans l’industrie. L’industrie
     au niveau des territoires seront clés : des investissements        représentait 19 % des émissions de CO2 françaises en 2018 (Haut
     locaux en faveur d’écosystèmes d’innovation et industriels         Conseil pour le climat, 2021), dont près des deux tiers sont dus
     autour de l’hydrogène pourraient orienter les filières indus-      à la consommation de chaleur (MTES, 2020). Les solutions pour
     trielles à un stade précoce.                                       décarboner la chaleur industrielle, outre l’efficacité énergétique
                                                                        et des matériaux, sont le report vers des solutions électriques,
    Ces trois facteurs sont largement tributaires des politiques        l’utilisation de carburants alternatifs tels que la biomasse sous
de déploiement des technologies et montrent leur influence              forme solide ou gazeuse ou l’hydrogène, et enfin le captage et
sur la composition des flottes à long terme. À un stade précoce         stockage du carbone (CCS) (Bataille et al., 2018 ; Energy Tran-
de déploiement, les stratégies politiques de long terme sont            sitions Commission, 2021b). L’utilisation de la biomasse (éven-
fondamentales pour définir les conditions techno-économiques            tuellement sous forme de biométhane) et du CCS est assez
des concurrences entre technologies (Roehrl & Riahi, 2000).             contrainte (voir supra), ce qui explique par exemple pourquoi
Comment définir des politiques publiques pour la décarbona-             malgré un fort potentiel technique, la biomasse ne fournit
tion du transport de poids lourds compte tenu des incertitudes          qu’une minorité de la chaleur industrielle dans le scénario Net
techno-économiques ?                                                    Zero 2050 de l’AIE et dans les scénarios européens de décarbo-
    Il semble relativement certain que les poids lourds faisant         nation (IEA, 2021b ; Lenz et al., 2020 ; Tsiropoulos et al., 2020).
des distances régionales (inférieures à environ 400 km/jour)                 Là aussi, le rôle de l’hydrogène sera en grande partie défini
pourraient utiliser une motorisation à batterie, ce qui corres-         par sa concurrence avec l’électricité (Tsiropoulos et al., 2020).
pond à 62 % de l’activité des poids lourds dans l’UE (en termes         Les technologies électriques peuvent fournir l’énergie néces-
de tonnes-kilomètre) (Transport & Environment, 2020). Il paraît         saire pour tous les niveaux de température, grâce notamment
stratégique d’encourager l’adoption de motorisations à batterie         aux pompes à chaleur, mais aussi à d’autres technologies telles
pour ce type de poids lourds, étant donné que la filière pourrait       que les fours à arc électrique (Madeddu et al., 2020). Le niveau
s’appuyer à la fois sur les progrès industriels et sur l’infrastruc-    d’efficacité énergétique de l’hydrogène et celui de l’électricité
ture de recharge permis par la massification des véhicules légers       pour ces processus sont dans des intervalles similaires quand

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